金顺浩 柳俊哲，2*

(1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040;2.宁波大学，浙江 宁波 315211)

0 引言

在土工合成工程中，土工格栅补强材料的应用愈来愈广泛，但是对此类加筋土的加固机理以及变形破坏的理论研究还显得比较薄弱，至今尚未能形成一套成熟的设计计算理论。为了定量地分析土工格栅在加筋砂土地基中配置长度以及刚性效果，本研究利用7种不同素材及不同刚性的面状和格子状土工格栅加筋材，把它们水平配置在密实砂中，通过平面压缩破坏试验和承载力试验，对土工格栅加筋材的素材及其刚性的加固效果进行了考察和分析。

1 数字图像变形量测技术应用

数字照相量测的图像分析方法可简单分为质心法和相关分析法。而变形量测法，可根据是否在试验模型上布置量测物理标志点，简单分为标点法和无标点法。前者一般采用质心法进行图像分析，而后者一般采用相关分析法。

2 试验方法

2.1 补强材料的种类及物理性能

7种不同素材及不同刚性的面状和格子状土工格栅补强材料的物理性能如表1所示。

2.2 土工格栅加筋砂土试体的平面应变压缩试验

把抗拉加筋土从受垂直压缩到破坏为止的流程，用图1水平布置土工格栅加筋亚沟砂土立方体试件的平面应变压缩试验结果来探讨。这试验是在ε2水平方向上保持变形为零的平面应变条件下，从外部施加一定拘束应力σ3(不是一个定值)和轴方向压缩条件上进行。试件要从σ3水平方向上往外延伸，但因为有拉伸补强材料受到阻碍。但是，试体内部的应力—应变状态不一样，局部的σ1和σ3值是越靠近试体内部越大。这例试验破坏的原因是局部开始发生剪切破坏连带着在补强区全体内发生剪切破坏。

表1 补强材料的物理性能

图1 土工格栅补强砂土平面应变压缩试验（单位：cm）

图2表示的是高7.5 cm×σ3方向的宽度8.0 cm×σ2方向的厚度4.0 cm上下断面里没有摩擦的小型试件压缩破坏试验结果。还表示了试件:在无补强时和在1/2高度布置一层各种平面状补强材料来补强时，试件的平均轴应力与定值拘束应力的比(σ1/σ30=49 kPa)与试件平均横方向伸长变形ε3的关系，当然，抗拉刚性和表面摩擦系数大的粗黄铜板土工格栅补强的试件强度最大。而刚性大表面容易出现滑动的光滑黄铜板土工格栅补强的试件强度稍微低。补强材料虽然有非常大的刚性，但在补强材料表面砂出现滑动现象，所以它的高刚性没充分得到发挥。

图2 小型试件平面应变压缩试验结果

图3是图1的试件在接近破坏载荷阶段B和C之间时，从σ2面角度观测照相描绘得到变位分布，求得局部主应变ε1和ε3的分布。

图3 试件破坏时的等剪断应变的等值线

1)粗黄铜板补强时:试件的下半部出现了滑移层，虽然发生了破坏，滑移层没穿透补强材料表面。

2)光滑黄铜板补强时:补强材料表面的一部分出现滑移。

3)无纺布补强时:滑移层没完全穿透补强材料表面。

4)人造橡胶，合成橡胶，橡浆补强时:滑移层穿透补强材料表面。

5)无补强时形成了明显的滑移层。但是，有补强效果时滑移层的自由形成受到阻碍，加筋土的破坏常常伴随着滑移层的形成。

2.3 土工格栅加筋土地基的条形基础承载力试验

图4是密实干燥加筋砂水平模型地基，因土工格栅拉伸补强，使条形基础(宽度B=10 cm)承载力增大的平面应变模型试验结果。砂层的侧面和砂箱侧面的透明丙烯板之间，为了除掉摩擦布置薄橡胶板。薄橡胶板上与砂同步活动的格子交点动态用照相来描绘，格子交点动态用照片读取，求得砂地基内部局部应变。

无补强地基均布荷载达到最大时刻，地基内应变在均布荷载中心的正下方领域集中(见图4b))。地基的破坏进程不像(古典承载力理念设想中图5显示的滑移线)那样一口气生成。地基破坏进程沿着潜在的滑动面，变形有不一样特点。

在补强地基中把补强材料布置在出现变形大又多的区域(最小主应力σ3)方向，这是拉伸补强工法的基本。图4b)中变形只在均布荷载中心的正下方集中，这个区域内的伸长变形ε3方向几乎是水平。所以，在图5中比均布荷载正下方点a还要远的部位即使布置补强材料，可以想象到很大的补强效果是期盼不来的。另外，在均布荷载宽度与长度相同(L/B=1)的正下方，在砂箱宽40 cm范围内只布置10根3层横断面宽度3 mm，厚度0.5 mm的带状黄铜板土工格栅补强材料，承载力就长了2倍(见图4a))。均布荷载正下方地基内变形分布就像图4b)的那样发生了很大变化，均布荷载正下方的补强部分就如同刚基础注入了耐力，承载力增加了。并且，实际基础的载荷问题因受荷载的偏心以及倾斜要素影响很大，所以补强材料比基础宽度长2～4成是合理的。

图4 土工格栅加筋土地基的条形基础承载力试验

图5 古典承载力理念中滑动面

受垂直中心载荷时，补强材料做得长就像图4a)显示的那样承载力得到增加。其实从图4b)的表示中，地基内均布荷载的两肋正下方铅垂地产生的变形集中区域，随着补强材料长度增长变形集中区域逐渐消失。这是因为，随着补强材料长度增长加强领域得到扩展，显示出均布荷载在基础地基范围内已经得到充分扩散。但补强材料长度超过了某一种限度，则变形分布变化就少，与其对应的补强效果的增加率也变小。补强材料长度再增长，补强效果的增加就变为0。

3 试验结果及讨论

通过室内模型试验，利用数字照相标点变形量测系统求地基内剪切应变分布和σ1/σ30－ε3，N—S曲线来研究分析加筋土的加筋机理和破坏模式及试验结果，得出如下结果:

1)加筋土的破坏常常伴随着滑移层的形成。但是，有补强效果时滑移层的自由形成受到妨碍。

2)与无纺布、光滑黄铜板相比，有抗拉刚性和表面摩擦系数大的粗黄铜板土工格栅补强效果更好。

3)作为土工格栅补强材料来说刚性大的较好，但对补强土的强度来说是每单位体积的补强材料总刚性显得更重要。

4)在地基的浅层布置补强材料，能起到很好的补强效果。补强材料长度L与荷载接触底面宽度B相等时的加筋土地基承载力比无加筋土地基承载力明显提高。

5)随加筋宽度增加，加筋效果越好。但是加筋长度超过4倍基础宽度时，承载力提高不大，即补强材料长度超过了某一种限度，则相应的补强效果增加率逐渐变小。

6)增加土工格栅加筋材与砂土之间的接触面积，可以明显提高加筋砂土的压缩强度。其加筋加固效果优于提高加筋材用量或增加刚性所带来的加筋加固效果。

4 结语

在实际工程设计中应尽可能地考虑加筋材的形状效果，通过合理配置加筋材的方法来提高土工合成工程的加固效果，而不能单纯靠提高加筋素材的刚性或增加加筋材用量来提高，只有这样才能取得良好的工程经济效益。

[1]刘 霖，李桂英，李 驰.土工格栅与风积砂土界面作用特性的试验研究[J].内蒙古公路与运输，2003(1):4-6.

[2]李洋溢，周 健.条形基础加筋砂土地基室内模型试验的分析研究[D].上海:同济大学，2006:1-81.

[3]刘华北.水平与竖向地震作用下土工格栅加筋土挡墙动力分析[J].岩土工程学报，2006，28(5):594-599.

[4]彭芳乐.加筋砂中土工格栅配置形状与刚性效果试验[D].上海:同济大学，2005:505-510.

[5]管振祥.土工格栅加筋土挡墙水平变形影响因素敏感性分析[J].铁道建筑，2008(5):74-77.

[6]杨 庆.土工格栅加筋砂土地基性能模型试验研究[J].大连理工大学学报，2006，46(3):390-394.